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Architektur und Programmierung von Grafik- undKoprozessoren
C++ Wiederholung
Stefan Zellmann
Lehrstuhl fur Informatik, Universitat zu Koln
SS2018
C++
I Kompilierte Programmiersprache.I Ausgelegt auf hohe Laufzeit-Performance.
I “As opposed to”: hohe Performance beim Kompilieren, hoheEntwicklerproduktivitat, etc.
I Superset von ANSI-C. Unix: “Betriebssystem mitC-Compiler”.
I Standardisiert (aktuell: ISO/IEC 14882:2017(E)) (“C++17”).I C++11 Standard hat nach vielen Jahren grundlegende
Neuerungen mit sich gebracht. C++14 und C++17 eherInkremente.
I Geplant: jeder C++11/17/23/.. Standard “große”Anderungen, jeder C++14/20/26 inkrementelle Anderungen.
I Streng typisierte Sprache.
I Wir verwenden Features von C++11. NVIDIA CUDACompiler unterstutzt neuere Standards nicht oder nichtvollstandig.
Kompilieren und Linken eines Ausfuhrbares Programms
.cpp .o
.cpp .o
.cpp .o
Compiler Linker
a.out
ELF Executable
Statisches Linken
.cpp .o
.cpp .o
.cpp .o
Compiler Linker
a.out
ELF Executable
.h
Preprocessor
#include <png.h>
.a
-L/usr/lib -lpng
Dynamisches Linken
.cpp .o
.cpp .o
.cpp .o
Compiler Linker
a.out
ELF Executable
.h
Preprocessor
#include <png.h>
.lib
-L/usr/lib -lpng
.so
/usr/bin/ld
Dynamic Linker
Basiskonstrukte
Einsprungspunkt fur ausfuhrbare Dateien
int main(int argc , char** argv){
return 0;
}
Basiskonstrukte
Statements: <command>* ;
Funktionen: <return type> name (<param list>) {<body>}
Seit C++11 auch:auto name (<param list>) − > <return type> {<body>}
Basiskonstrukte
Kontrollstrukturen
// Comments
/* Comments */
if (condition) { } else if { } else {}
while (condition) {}
do { } while (condition );
for (long l = 0; l < 1000; ++l) {}
label:
goto label;
switch (i) {
case 0: break;
case 1: break;
default: break;
}
Basiskonstrukte
Programmstruktur: namespaces
// ANSI -C
struct myType {};
// C++
namespace my {
struct Type {};
}
void useLikeC () { myType mt; }
void useLikeCpp () {
my::Type mt;
{ using my::Type;
Type mt; }
{ using namespace my;
Type mt; }
}
Niemals: using namespace X; in Header! Namespace pollution.
Basiskonstrukte
Programmstruktur: Typen
struct type1 {
int a, b, c;
private:
int d_ , e_ , f_;
};
class type2 {
public:
type2 () {}
~type2() {}
private:
int a, b, c;
};
union u {
float f;
unsigned u;
};
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr == 0, *ptr == 23
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr++
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr == 1, *ptr == 24
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr += 3
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr == 4, *ptr == 9
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr -= 4
Basiskonstrukte
Zeiger: Abstraktionstyp fur linearen Speicher.
0 1 2 3 4 5 6 7
23 24 8 1 9 56 7 48
ptr == 0, *ptr == 23
Basiskonstrukte
Zeiger
Initialisiere Zeiger. Type* pointer = &data array[0];
(Achtung: Operator & hat drei verschiedene Bedeutungen in C++(Adressoperator, Referenzoperator, bitweises Und)).
Springe:pointer += 4;
Sprung vor den Anfang des Arrays:pointer -= 5;
Aus Sicht der Sprache legal (Compiler). Zur Laufzeit (bestenfalls):Memory Access Violation (Betriebssystem); womoglich: Zugriff aufbeliebigen Programmspeicher (Sicherheitslucke).
Dereferenzierung:Type t = *pointer;
Achtung, auch Operator * hat mehrere Bedeutungen.
C++ und Ressourcen
C++ spezifiziert keine Garbage Collection (der Standard schließtsie nicht explizit aus, aber es gibt keine Implementierungen, die mirbekannt sind). Daher mussen alle Ressourcen, die reserviertwerden, wieder freigegeben werden, z. B.
// Dynamisches Array
int* ptr1 = new int [5];
delete [] ptr1;
// Datei Handle
FILE* fp = fopen("/home/user/filename", "rw");
fclose(fp);
// Netzwerk Socket
int sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);
close(sockfd );
C++ und Ressourcen
Ressourcenallokation ⇒ (i. d. R.) System Calls:
I Reserviere Speicherbereich mit malloc oder new ⇒Betriebssystem gibt Zeiger auf Speicher zuruck (oder throwbad alloc).
I Offne Datei: Dateisystemoperation erfordert Kommunikationmit Betriebssystem.
I ...
System Calls: API des Betriebssystemkernels. User Mode LibraryFunktionen wie fopen oder new leiten an Kernel Mode SystemCalls (z. B. open, brk) weiter (oder erweitern sie).
Unix: verschiedene Man-Page Sektionen fur Library Funktionen (3)und System Calls (2):man 3 fopen
man 2 open
C++ und Ressourcen
Ressource Acquisition is Initialization (RAII)
struct File {
File(char const* fn)
: fp(fopen(fn , "rw"))
{
}
~File()
{
fclose(fp);
}
FILE* fp;
};
void openFile () {
// Stack variable , dtor is automatically
// called when variable goes out of scope
File f("/home/user/myfile");
}
C++ und Ressourcen
I Nutzen Sie RAII!
I Eingebaute, “deterministische” Garbage Collection. Destruktorwird garantiert aufgerufen, selbst wenn der Funktionsstackwegen Exceptions abgebaut wird.
I Prufen Sie immer erst, ob es fur Ihre Anwendung eine STL(oder Boost etc.) Template Klasse gibt (im Beispiel:std::fstream).
C++ und Ressourcen
STL RAII Klassen:
// Dynamic arrays
#include <vector >
std::vector <int > v1(3); v1.push_back (4);
v1[2] = 23;
// Smart pointers
#include <memory >
std:: shared_ptr <int > sp = nullptr;
std:: unique_ptr <int > up = nullptr;
// File handling
#include <fstream >
std:: ofstream file("/home/user/myfile");
file << "text";
I Viele andere Beispiele!
I Vorsicht mit std::shared ptr, sehr schwergewichtig.
Fundamentaltypen
Booleans, Characters, sonst.
void; std:: nullptr_t;
bool; char;
Integer Typen
short; int; long; long long; // + unsigned etc.
Datenmodelle, z. B. LP64 (64-bit Unix,Linux, Mac): long &pointer 64-bit, LLP64 (Win64): long 32-bit, pointer 64-bit.
Floating-Point Typen
float; double; long double;
Typeigenschaft
static_assert(std:: is_fundamental <T>:: value == true);
Zusammengesetzte Typen
Typ ist eines von: Array, Funktion, Zeiger auf Objekt,Zeiger auf Funktion, Zeiger auf Member, Referenz,Klasse, Union oder Enumeration.
Typeigenschaft
static_assert(std:: is_compound <T>:: value == true);
Typkategorien
Wichtige:
I trivial - std::is trivial
I POD - std::is pod
Triviale Typen
Trivialer Default Konstruktor
// Generated
struct type1 { int i; };
// Defaulted:
struct type2 {
type2 () = default;
int i;
}
// Not trival:
struct type2 {
type2 () {}
int i;
}
Trivial kopierbar
type1 a, b, c;
b = a; memcpy (&c, &b, sizeof(b));
Typeigenschaft
static_assert(std:: is_trivial <T>:: value == true);
POD Typen
“Plain Old Data Types”Standard Layout Ist bitweise kompabitel mit einfachem ANSI-CTypen, insb. bzgl. Reihenfolge der Member Felder.
struct type1 { int i; }; // standard -layout
struct type2 : type1 { }; // standard -layout
struct type3 : type2 { }; // standard -layout
struct type4 : type2 , type3 { }; // kein standard -layout
Typeigenschaft
static_assert(std::is_pod <T>:: value == true);
Einfache Typen (Trivial, POD)
I Zeichnen sich insb. dadurch aus, dass sie mit einfachemmemcpy im Speicher bewegt werden konnen.
I Keine virtuelle Vererbung ⇒ keine erst zur Laufzeit bekanntenKonstrukte.
I Einfache Typen besser fur Optimizer. In inneren Schleifensollten einfache Typen oder Varianten verwendet werden.
Smart Pointer und Referenzzahlen
Prinzip sehr einfach (konkrete Implementierung nicht..). CopyKonstruktor zahlt ref-count hoch, Destruktor zahlt ref-countrunter, loscht wenn ref-count 0.
Smart Pointer und Referenzzahlen
struct smart_ptr {
smart_ptr(Object* o) : obj_(o), cnt_(new int) {
*cnt_ = 1;
}
smart_ptr(smart_ptr& rhs) : obj_(rhs.obj_)
, cnt_(rhs.cnt_) {
*cnt_ ++;
}
~smart_ptr () {
if (--(*cnt_) == 0) {
delete obj_;
delete cnt_;
}
}
// Interface
Object& operator *() { return *obj_; }
Object* operator ->() { return obj_; }
// Data
Object* obj_;
int* cnt_;
};
Smart Pointer und Referenzzahlen
Ownership
Problem: wem gehort der Speicher. Bei dem Smart Pointer vonoben geht man davon aus, dass Ownership geteilt wird (daherReferenzzahlung). Tatsachliche Implementierungen (z. B.std::shared ptr, boost::shared ptr) recht schwergewichtig(insb. wegen Thread Safety).
Wenn klar ist, dass Datum, auf das gezeigt wird, nie geteilt wird,verwende exklusiven Smart Pointer (z. B. std::unique ptr).Dieser implementiert RAII, aber keine Verweiszahlung ⇒ kaumVerwaltungs-Overhead.
Generische Programmierung
// returns any linear container (e.g. std:: vector)
auto container = generate_some_numbers ();
// sort any linear container
std::sort(container.begin(), container.end ());
std::sort ist ein Algorithmus, d. h. (im Sinne von C++) eineFunktion, die fur verschiedene Eingabetypen templatisiert ist(insb.: die beiden Parameter first und last erfullen dasRandomAccessIterator Konzept).
Generische Programmierung
template <typename T>
struct generic_type {
T data;
};
template <typename T>
void generic_func(T param) {
}
int main() {
generic_type <int > gti;
using concrete_type = generic_type <double >;
concrete_type ctd;
generic_func(gti.data); // Instantiate with int
generic_func(ctd.data); // Instantiate with double
}
Generische Programmierung
STL und Boost stellen eine Vielzahl von Template Klassen undFunktionen bereit:
std::vector <int >;
std::list <double >;
std::map <int , char >;
boost::bimap <int , std::string >;
boost:: circular_buffer <double >;
//...
Generische Programmierung
STL und Boost stellen eine Vielzahl von Template Klassen undFunktionen bereit:
template <typename InputIt , typename T>
std::find(InputIt first , InputIt last , T value);
template <typename InputIt , typename T, typename Pred >
std:: find_if(InputIt first , InputIt , Pred pred);
template <typename RandomIt >
std::sort(RandomIt first , RandomIt last);
template <typename RandomIt , typename Compare >
std::sort(RandomIt first , RandomIt last , Compare comp);
//...
std:: accumulate (..);
std:: rotate (..);
std:: partition (..);
Generische Programmierung
ConceptsKonzepte (engl./gebrauchlicher: Concepts) legen fest, welcheTypen mit welchem Algorithmus etc. kompatibel sind.
Beispielsweise EqualityComparable: fur den Typen ist dieFunktion operator==() uberladen, das Ergebnis vonoperator==() ist implizit nach bool konvertierbar.
Generische Programmierung erlaubt Compile Zeit Polymorphismus- also das Erweitern von Template Library Algorithmen durchuberschreiben fur eigene Typen - ohne Laufzeit Overhead (aberggf. hohere Compile Zeiten und Code Komplexitat).
Generische Programmierung – Patterns
Iterator Pattern
template <typename Container >
void iterate(Container cont) {
for (auto it = cont.begin (); it != cont.end (); ++it) {
std::cout << *it << ’\n’;
}
}
int main() {
std::vector <int > v({1,2,3,4,5});
iterate(v);
std::list <double > l({1.0 ,2.0 ,3.0});
iterate(l);
}
Generische Programmierung – Patterns
Iterator Pattern Haufig wird generisch uber eine range iteriert.Dann gilt (STL, Boost, andere):
range := [container.begin..container.end)
Der end (manchmal last Iterator zeigt also auf das (ungultige)Element direkt nach dem letzten Elemet.
Beim iterieren pruft man auf Ungleichheit (it != end anstatt it< end), um Datenstrukturen zu unterstutzen, uber die nichtsequentiell iteriert wird.
Zeiger erfullen das RandomAccessIterator Konzept.
Generische Programmierung – Patterns
Type Traits (Typeigenschaften)
struct my_type { };
template <typename T>
struct is_my_type {
static constexpr bool value = false; };
template <>
struct is_my_type <my_type > {
static constexpr bool value = true; };
template <typename T>
void func(T) {
std::cout << is_my_type <T>:: value << ’\n’; }
int main() {
func(int {});
func(my_type {});
}
Generische Programmierung – Patterns
SFINAE (Substitution failure is not an Error)
template <typename T>
void func(T x)
{
std::cout << x.pretty_sure_this_member_doesnt_exist;
}
void func(int i)
{
std::cout << i;
}
int main()
{
func (23);
}
Generische Programmierung – Patterns
SFINAE (Substitution failure is not an Error)
template <typename I,
typename = typename std::enable_if <
std:: is_integral <I>::value >:: type
>
void func(I)
{
}
int main()
{
func (23);
func(std::vector <int >()); // Error!
}
Lambda Funktionen
void func() {
// Simple
auto mul = []( int i, int j) { return i * j; };
mul(23, 32);
// Algorithm
struct record { int key; std:: string value; }
std::vector <record > records;
std::sort(records.begin(), records.end(),
[]( record a, record b)
{ return a.key < b.key; });
// Parallel algorithm
parallel_for(range.begin(), range.end(), []( index i)
{
// Parallel logic
});
}
Lambda Funktionen
void func() {
int a, b;
std::vector <int > c;
// Capture by value
auto do_it1 = [a,b,c]() { a = 23; // a is copy
c.push_back (0); // c is copy!
};
// Capture c by reference
auto do_it2 = [a,b,&c]() { /* .. */ };
// Capture everything by value
auto do_it3 = [=]() { std::cout << a << ’\n’ };
// Capture everything by reference
auto do_it4 = [&]() { c.push_back (23); }
}
Lambda Funktionen
Lambda Funktionen sind Funktionsobjekte. Ihr Typ istCompiler-spezifisch, jedoch sind sie implizit nachstd::function<> konvertierbar. Sie erleichtern Situationen, indenen man vor C++11 Helferklassen hatte schreiben mussen.
Move Semantik und Return Value Optimization
C++11 Konstrukt. Prinzip: anstatt copy-by-value oderreferenzieren eines großen Objekts, verschiebe es einfach in einenanderen Scope (im ursprunglichen Scope wird es ungultig).
Wahrscheinlich grßter Nutzen beim Kopieren vonFunktionsruckgabewerten:
struct BIG {
char data[0xFFFF ];
};
BIG tmp = make_BIG ();
Alte C++ Compiler legen hier zwei Temporaries an! Es gibt aberkeine Situation, in der man an die Temporaries gelangen kann,deshalb optimieren Compiler (auch < C++11) dies mit MoveSemantics (sog. Return Value Optimization).
Move Semantik und Return Value Optimization
struct BIG {
char data[0xFFFF ];
};
void func(BIG big) { // Copy 2^16 bytes
}
void func(BIG& big) { // Reference
}
BIG func() {
return BIG {}; // Since C++11: move semantics
}
BIG soon_no_longer_required;
BIG big = std::move(soon_no_longer_required );
// 1st variable is now also no longer *valid*
Tutorials
Bitte schauen Sie sich die “richtigen” Tutorials an! Viele Tutorialsvermitteln C++ im Stil anderer Sprachen wie C oder Java.“Richtige” Tutorials sind z. B.
Channel9 Lectures: Stephan T. Lavavej - Core C++https://channel9.msdn.com/Series/
C9-Lectures-Stephan-T-Lavavej-Core-C-
Jason Turner: C++ Weekly (YouTube Channel)
Sehr unterhaltsames Tutorial:CppCon 2016: Jason Turner, ”Rich Code for Tiny Computers: ASimple Commodore 64 Game in C++17”.(YouTube)
